Thanh trượt là một trong những thiết bị dẫn động tuyến tính quan trọng trong các hệ thống sản xuất tự động CNC. Linh kiện dẫn hướng chính xác hoạt động dựa
trên nguyên lý của chuyển động tịnh tiến giữa hai bộ phận cấu tạo thanh trượt chính là con trượt và thanh ray trượt.
Thanh trượt dẫn hướng được tích hợp trong hầu hết các cơ cấu máy CNC, các loại máy chế biến gỗ, máy plasma, máy in, các hệ thống máy móc, băng chuyền, dây chuyền tự động…
Hình 2. 4 Thanh trượt dẫn hướng
Ưu điểm:
- Có khả năng dẫn hướng chính xác, cao, đem lại những chuyển động tịnh tiến thẳng mượt, nhẹ nhàng với lực ma sát không đáng kể.
- Có khả năng chịu tải lớn
- Khả năng hoạt động bền bỉ, liên tục và chính xác trong thời gian dài với tốc độ lớn - Có tuổi thọ làm việc cao, khả năng hoạt động ở nhiều môi trường, nhiệt độ khắc nghiệt khác nhau
- Thiết kế đơn giản, gọn nhẹ, dễ dàng lắp đặt, sử dụng và bảo dưỡng, bảo trì định kì - Độ cứng vững cao
- Giá rẻ, tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu cho doanh nghiệp 2.3.4 Màn hình LCD text 2004
Hình 2. 5 Màn hình LCD 2004
LCD text 2004 một sản phẩm quen thuộc giúp thực hiện các dự án về điện tử, lập trình. Sản phẩm khắc phục được nhược điểm kết nối cần đến 8 dây của các moduke led khác, sản phẩm dùng module Ì2C tích hợp nên việc kết nối trở nên đơn gỉan với chỉ 4 dây. LED 20X04 có khả năng hiển thị 4 hàng, mỗi hàng 20 kí tự, tương ứng với 4 hàng 20 cột. Để sử dụng được sản phẩm với chuẩn I2C cần thêm thư viện hỗ trợ và phải biết địa chỉ của sản phẩm trong đường truyền I2C. Sản phẩm có độ bền cao đồng thời có rất nhiều ví dụ mẫu được cộng đồng Arduino xây dựng sẵn sẽ giúp người mới sử dụng làm quen nhanh hơn cũng như tiết kiệm được thời gian trong việc phát triển ứng dụng của mình.
Thông số kĩ thuật:
Điện áp hoạt động: 5VDC
Dòng điện tiêu thụ: 350uA - 600uA. Nhiệt độ hoạt động: -30°C đến 75°C.
Kích thước 96 x 60 mm, chữ đen, nền xanh lá.
Đèn Led nền có thể điều khiển bằng biến trở hoặc PWM. Có thể điều khiển bằng 6 chân tín hiệu.
Sơ đồ chân
Sơ đồ chân của LED text 20x04 giống vối các sản phẩm LED text thông thường với 16 chân. nhưng module sửa dụng thêm IC tích hợp giao tiếp I2C do đó người dùng cần kết nối với 4 chân I2C.
VSS: tương đương với GND - cực âm
VDD: tương đương với VCC - cực dương (5V) Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng màn hình
Register Select (RS): lựa chọn thanh ghi (RS=0 chọn thanh ghi lệnh, RS=1 chọn thanh ghi dữ liệu)
Read/Write (R/W): R/W=0 ghi dữ liệu , R/W=1 đọc dữ liệu. Enable pin: Cho phép ghi vào LCD
D0 - D7: 8 chân dữ liệu, mỗi chân sẽ có giá trị HIGH hoặc LOW nếu bạn đang ở chế độ đọc (read mode) và nó sẽ nhận giá trị HIGH hoặc LOW nếu đang ở chế độ ghi (write mode)
Backlight (Backlight Anode (+) và Backlight Cathode (-)): Tắt bật đèn màn hình LCD.
2.4 Phương án thiết kế- Thông số máy - Thông số máy
Không gian in tối đa: 200x200x200 mm Độ phân giải của một lớp in: từ 0,1 0,4 mm Dung sai cho phép 0,1 mm
Tốc độ khi in 90 130 mm/s Tốc độ tối đa 300 mm/s - Phương án thiết kế
Sử dụng thanh trượt dẫn hướng: Trong kết cấu này, bàn in sẽ dịch chuyển theo phương Z, đầu phun nhựa dịch chuyển theo phương XY.
2 trục XY sử dụng thanh trượt theo cơ cấu Corexy, trục Z sử dụng bộ truyền vít me đai ốc.
Ưu điểm của kết cấu này:
Kết cấu đơn giản, dễ lắp đặt Có thể in với tốc độ cao
Các kết cấu di động nhỏ nên quán tính nhỏ, máy hoạt động êm hơn Độ chính xác cao
Khó căn chỉnh bàn in
Kích thước máy có thể hơi lớn và cồng kềnh. 2.5 Kết luận chương 2
Kết thúc chương 2, ta đã tìm hiểu về cấu trúc cần có của một máy in 3D, một số thiết bị, thành phần cần có trong hệ thống máy, bước đầu xác định thông số máy và lựa chọn được phương án thiết kế phù hợp. Đến với chương 3, chúng ta đi vào tính toán, thiết kế các bộ phận cho máy in 3D.
CHƯƠNG 3. QUY TRÌNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY IN 3D 3.1 Quy trình xây dựng máy in 3D
Trong đồ án này, nhóm thiết kế và chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM bởi với công nghệ này thì máy in 3D của nhóm có thể sử dụng hàng loạt các vật liệu ABS, PLA với các sự lựa chọn màu sắc khác nhau. Chi phí bảo dưỡng thấp, vật liệu in không độc hại, không cần sự giám sát trong quá trình in. Các mẫu in bằng công nghệ FDM độ bền tốt, có khả năng chịu nhiệt, chịu va đập lớn. Tuy nhiên ở công nghệ này vẫn còn tồn tại một số hạn chế như công nghệ FDM tạo ra các lớp in dày hơn vì vậy công nghệ này thường ít được sử dụng cho việc tạo mẫu yêu cầu độ chính xác tuyệt đối. Bề mặt nhẵn của mẫu in bằng FDM có thể đạt được bằng cách xử lý mẫu bằng tay. Sơ đồ dưới đây là tổng quan quy trình chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM mà nhóm đã sử dụng trong đồ án này.
Hình 3. 1 Quy trình chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM
3.2 Thiết kế, lựa chọn phần cơ khí3.2.1 Thiết kế khung máy 3.2.1 Thiết kế khung máy
Đối với máy in được thiết kế trong đồ án này, không yêu cầu chịu tải lớn, vì thế với tiêu chí dễ tháo lắp, sửa chữa trong quá trình lắp máy và tiết kiệm chi phí, nhóm đã chọn nhôm định hình cho phần khung máy. Ở đây sử dụng nhôm định hình 20x20 nhằm giúp khung máy được nhỏ gọn hơn.
Hình 3. 2 Nhôm định hình 20x20
Bộ phận khung máy yêu cầu độ chính xác khi gia công cao để có thể chịu lực lớn nhất và đảm bảo độ chính xác khi in. Lưu ý về kích thước của các thanh nhóm, độ vuông góc khi lắp ghép. Nhôm định hình được cắt bằng máy cưa tay, dung sai 2 – 3 mm, rồi dùng máy phay CNC để phay phẳng 2 đầu nhằm đảm bảo kích thước và độ phẳng. Một số chi tiết giúp nối ghép các thanh nhôm như: ke góc nhôm, con trượt, bu lông lục giác. Sử dụng chân đế cao su cho máy giúp giảm rung động khi máy hoạt động.
3.2.2 Thiết kế cụm cơ khí trục Z
Trong máy in 3D, tuy trục Z ít di chuyển nhất trong quá trình làm việc nhưng nó lại có yếu tố quyết định đến chất lượng sản phẩm rất lớn vì nó liên quan đến thông số chiều dày in, điều này ảnh hưởng đến độ bóng, cũng như dung sai kích thước vè chiều cao của chi tiết.
Đối với đồ án này, nhóm sử dụng truyền động vít me – đai ốc bi cho trục Z do truyền động có hiệu suất cao, ít gây ra hiện tượng trượt và vận hành êm.
3.2.2.1Truyền động vít me – đai ốc bi trục Z Thông số:
Khối lượng bàn in: m = 1 kg
Vận tốc di chuyển khi in: V2 = 5 mm/s.
Gia tốc tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 2 mm/s2. Tốc độ vòng quay của động cơ: N = 1000 vòng/phút. Thời gian làm việc: Tl = 21900 h (5 năm, 12h mỗi ngày). Lựa chọn kiểu lắp trục vít:
Có 3 kiểu lắp trục vít thường được sử dụng là kiểu fixed – fixed (hai đầu vít me được cố định), fixed – support (một đầu vít me được gắn ổ bi), fixed – free (một đầu vít me để tự do).
Do kết cấu bàn in của máy trong đồ án này có khoảng dịch chuyển nhỏ, tải trọng đặt trên bàn máy nhỏ nên chịu tải trọng tương đối thấp và độ cứng vững không cần quá cao, vì vậy ta lựa chọn kiểu fixed – free có kết cấu đơn giản và dễ lắp đặt.
Hình 3. 3 Sơ đồ khối trục Z
Yếu tố chính xác của vít me khá quan trọng vì nó ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của trục vít. Để lựa chọn cấp độ chính xác ta có thể tra trong catalouge của hãng. Trong đồ án này nhóm sử dụng vít me của hãng PMI. Với yêu cầu độ chính xác ta có thể chọn cấp chính xác là C7.
Trong đó là vận tốc lớn nhất (mm/s)
là tốc độ vòng quay lớn nhất (vòng/s) Từ đó tính được:
Chọn bước ren 2,5 mm.
Điều kiện làm việc và các thông số được tính chọn. Lực chống trượt: Tính toán lực dọc trục: Tăng tốc: Chạy đều: Giảm tốc: Lực dọc trục trung bình: Tính toán tải trọng: Tải trọng tĩnh: Trong đó: là tải trọng tĩnh
là hệ số bền tĩnh, đối với máy thông thường , ở đây chọn lực lớn nhất tác dụng lên vít me.
Với bước ren , số vòng quay danh nghĩa là = (vòng/phút). là hệ số tải, trục Z di chuyển với tốc độ (m/phút) nên lấy . Tải trọng động tính được:
Hình 3. 4 Thông số vít me – đai ốc bi
Chọn bán kính trục vít:
Tổng chiều dài trục vít = khoảng cách dịch chuyển + chiều dài đai ốc + khoảng thoát = 200 + 30 + 30 = 260 mm.
Kiểu lắp fixed – free có Bán kính trục vít:
Chọn vít me có bán kính 4 mm. Dựa trên catalouge của hãng PMI ta chọn loại vít me: FSM0801 – C3 – 1R – 0248.
Kiểm tra sơ bộ: Tuổi thọ làm việc:
Tốc độ quay cho phép: (vòng/phút)
Độ dịch do thay đổi nhiệt độ.
Trong đó:
là hệ số giãn nở khi thay đổi nhiệt độ () là nhiệt độ thay đổi của trục vít
L là chiều dài trục vít
Như vậy thời gian hoạt động và số vòng quay đều đạt yêu cầu. 3.2.2.2Động cơ trục Z
Căn cứ vào momen tải quy đổi, momen quán tính và số vòng quay tối đa, ta lựa chọn động cơ bước phù hợp. Để đơn giản trong quá trình tính toán ta sử dụng công cụ tính toán động cơ bước có sẵn trên trang orientalmotor.com.
Hình 3. 6 Thông số tính toán động cơ
Trong đó:
Total mass of load and table: Khối lượng của bàn máy và phôi, m = 1,5 kg Friction coefficent of guide: hệ số ma sát của thiết bị dẫn hướng
Dianmeter: đường kính của trục vít D = 8 mm
Total length: Tổng chiều dài của trục vít L = 270 mm Lead: Bước vít, p = 2,5 mm
Efficient: hiệu suất, đối với vít me bi có hiệu suất là 95% Material: vật liệu là thep không gỉ
Safety factor: hệ số an toàn
Hình 3. 7 Kết quả tính toán động cơ
Qua kết quả tính toán trên ta đã thu được các thông số cần thiết như: Momen quán tính:
Momen tải quy đổi: :
Số vòng quay tối đa: : (vòng/phút) Với tiêu chí:
tốc độ định mức của động cơ lớn hơn tốc độ yêu cầu của vít me momen định mức động cơ lớn hơn momen cần thiết
trong đó là momen quán tính định mức của động cơ
Dựa vào các tiêu chí trên, giá thành và độ chính xác motor, ta lựa chọn động cơ bước mã 42H47HM – 0504A – 18.
Hình 3. 8 Động cơ bước 42H47HM – 0504A – 18 [6]
Dưới đây là các thông số của động cơ. Góc bước nhỏ nhất:
Momen xoắn Momen quán tính
Khối lượng motor m = 367 (g) Dòng định mức I = 1,7 (A) Momen hãm T = 37. 3.2.2.3Khớp nối
Để truyền chuyển động, truyền momen giữa 2 trục với nhau ta sử dụng khớp nối gồm: nối trục, ly hợp và ly hợp tự động. Khớp nối là chi tiết tiêu chuẩn vì vậy trong thiết kế thường dựa vào momen xoắn tính toán Tt, được xác định theo công thức :
Với:
T là momen xoắn danh nghĩa k là hệ số chế độ làm việc, k = 4
Đối với máy in 3D, ta dùng loại khớp nối đàn hồi bằng hợp kim nhôm do kích thước khớp nối nhỏ gọn, khả năng truyền momen xoắn cao. Đồ án sử dụng khớp nối loại PC1 với đường kính motor 5mm, kích thước 2 đầu trục 5 – 8.
Hình 3. 9 Khớp nối
3.2.2.4Bàn nâng trục Z
Đối với bàn nâng trục Z sử dụng vật liệu mica với ưu điểm khối lượng nhẹ hạn chế hiện tượng bàn máy bị công xôn, giá thành lại hợp lý. Sử dụng lò xo và đai ốc để cân bằng bàn máy. Phía trên cùng sử dụng một tấm kính dày khoảng 3 – 5mm để in trực tiếp lên tấm kính.
3.2.3 Thiết kế, tính toán sống trượt dẫn hướngThông số cụm trục XY: Thông số cụm trục XY:
- Khối lượng trục Y: m = 5 kg - Khối lượng trục X: m = 1 kg
- Chiều dài làm việc: = 200 mm, = 200 mm - Vận tốc tối đa: = 150 mm/s
- Thời gian hoạt động = 21900 h (5 năm, 12h mỗi ngày) - Tốc độ động cơ: N = 1500 (vòng/phút)
Tính toán sống trượt dẫn hướng:
Phần lớn chuyển động trong quá trình in là của cụm trục XY. Sử dụng sống trượt dẫn hướng cho cụm trục XY để tăng độ chính xác và thời gian làm việc. Chọn sống trượt dẫn hướng phụ thuộc vào độ chính xác của máy, độ cứng vững, thời gian làm việc, tính kinh tế.
Tính toán tải trọng tối đa đặt lên sống trượt.
Khoảng cách giữa 2 con trượt khác ray: c = 340 (mm) Khoảng cách giữa 2 con trượt cùng ray: d = 0 (mm) Lực tác dụng lên trục: F = 0 (N)
Khoảng cách từ lực đến trọng tâm trục theo phương Y: a = 0 (mm) Khoảng cách từ lực đến trọng tâm trục theo phương X: b = 0 (mm) Lực tối đa đặt lên sống trượt:
Do không có ngoại lực tác dụng vào hệ thống trượt trục Y nên Ở đây sử dụng 2 con trượt:
Hệ số an toàn tĩnh:
Với là hệ số tải tĩnh 2,55kN
P là lực tối đa đặt lên sống trượt 25N Tuổi thọ danh nghĩa của sống trượt:
Với:
là hệ số độ cứng là hệ số nhiệt độ
là hệ số tải
Thời gian hoạt động của sống trượt:
Với (mm/s) = 9 (m/phút) 3.2.4 Lựa chọn bàn nhiệt
Bàn nhiệt của máy in là bộ phận gia nhiệt cho bàn in lên đến một nhiệt độ nhất định đối với một loại nhựa nhất định. Đối với phần lớn nhựa in, nhiệt độ bàn in thường không vượt quá 120oC, ta có thể tính toán lượng nhiệt cần thiết để gia nhiệt của bàn in:
Với:
Q: là nhiệt lượng cần cung cấp để gia nhiệt cho bàn nhiệt (J). G: khối lượng bàn nhiệt (kg).
CAlu: Nhiệt dung riêng của nhôm (880 J/(kgK)). : Độ chênh lệch nhiệt độ (K).
S: Diện tích bề mặt bàn nhiệt (). : Độ dầy bàn in (m).
Hình 3. 10 Bàn in nhiệt nhôm MK3
Từ thông số kích thước, độ dày, công suất gia nhiệt, chúng em xin lựa chọn bàn nhiệt MK3. Các thông số kĩ thuật của bàn nhiệt nhôm MK3:
- Kích thước: 210mmx210mm. - Độ dầy: 3mm.
- Hỗ trợ điện áp 12V, 24V.
- Công suất gia nhiệt: 144W ở 12V. - Kích thước lỗ vít: 3mm.
3.2.5 Thiết kế và gia công các chi tiết
Bảng dưới đây tổng hợp lại các chi tiết sử dụng cho hệ thống
Bảng 3. 1 Danh sách các chi tiết sử dụng cho hệ thống
STT Tên chi tiết Số lượng Vật liệu Phương pháp gia công Ghi chú 1 Gá đầu
đảm bảo độ vuông góc.
2 Gá đầu
phun 2
1 POM Phay CNC Gia công chính xác kích
thước, khoảng cách 2 lỗ
3 Tấm gá
trục X 1 POM Phay CNC Gia công chính xác vịtrí các lỗ bắt con trượt
4 Đồ gá bạc
đạn
2 POM Phay CNC Gia công chính xác vị trí 2 lỗ ren trên mặt đầu, kích thước bậc
5 Khối đỡ